Karakterisasi Nanokomposit Green-Synthesized Fe3O4/rGO dan Aplikasinya sebagai Label Magnetik untuk Deteksi Escherichia coli Berbasis Biosensor Giant Magnetoresistance

Layyinatus Shifa, Prof. Dr.Eng. Edi Suharyadi, M.Eng.

2025 | Tesis | S2 Ilmu Fisika

Escherichia coli (E. coli) telah berhasil dideteksi menggunakan biosensor berbasis giant magnetoresistance (GMR) dengan menggunakan Fe₃O₄ dan nanokomposit Fe₃O₄/rGO sebagai label magnetik, serta L-Histidine (L-His) sebagai linker. Variasi konsentrasi E. coli dilakukan untuk menyelidiki pengaruhnya terhadap respons tegangan yang dihasilkan oleh sensor GMR. Nanokomposit Fe₃O₄/rGO disintesis menggunakan metode kopresipitasi dan Hummers termodifikasi dengan pendekatan green synthesis, kemudian difungsionalisasi dengan L-His untuk meningkatkan kestabilan dan afinitas terhadap bakteri target. Karakterisasi struktur kristal menunjukkan bahwa Fe₃O₄ dan Fe₃O₄/rGO memiliki struktur invers spinel dengan ukuran kristalit masing-masing sebesar 11 nm dan 10 nm. Analisis menggunakan transmission electron microscopy mengungkapkan morfologi Fe₃O₄ yang berbentuk bola tidak sempurna, serta penurunan ukuran partikel dari 12 nm menjadi 8,6 nm setelah modifikasi dengan rGO-His. Spektroskopi IR dan UV-Vis mengonfirmasi keberhasilan integrasi rGO dan fungsionalisasi L-His, serta menunjukkan efek blueshift dan peningkatan energi bandgap dari 2,62 eV menjadi 2,70 eV. Sifat superparamagnetik teridentifikasi dengan penurunan nilai magnetisasi saturasi pada Fe₃O₄ dari 54,3 emu/g menjadi 40,5 emu/g akibat penambahan rGO. Sensor GMR menunjukkan respons tegangan sebesar 0,075, 0,131, dan 0,173 volt untuk rasio E. coli 1:1000, 1:100, dan 1:10 secara berurutan. Nilai relative standard deviation meningkat hingga 6,1% namun penambahan  rGO menghasilkan sinyal yang lebih stabil dengan distribusi partikel dan stray field yang lebih homogen, mengikuti pola Horwitz yang mendukung peningkatan linearitas dan sensitivitas deteksi E. coli. Hasil ini menunjukkan bahwa nanokomposit Fe₃O₄/rGO memiliki potensi yang signifikan dalam meningkatkan performa biosensor GMR untuk deteksi E. coli secara real-time.

Escherichia coli (E. coli) has been successfully detected using giant magnetoresistance (GMR) based biosensor with Fe₃O₄ and Fe₃O₄/rGO nanocomposites as magnetic labels, and L-Histidine (L-His) as a linker. The variation of E. coli concentration was carried out to investigate its effect on the voltage response generated by the GMR sensor. The Fe₃O₄/rGO nanocomposite was synthesized using co-precipitation and modified Hummers method with a green synthesis approach, then functionalized with L-His to increase the stability and affinity to target bacteria. Crystal structure characterization exhibits that Fe₃O₄ and Fe₃O₄/rGO have inverse spinel structures with crystallite sizes of 11 nm and 10 nm, respectively. Analysis using transmission electron microscopy reveals the imperfect spherical morphology of Fe₃O₄, and a particle size reduction from 12 nm to 8.6 nm after modification with rGO-His. IR and UV-Vis spectroscopy confirm successful rGO integration and L-His functionalization, along with blueshift and an increase in bandgap energy from 2.62 eV to 2.70 eV. Superparamagnetic properties are identified by a decrease in the saturation magnetization of Fe₃O₄ from 54.3 emu/g to 40.5 emu/g due to the addition of rGO. The GMR sensor shows a voltage response of 0.075, 0.131, and 0.173 volts for E. coli ratios of 1:1000, 1:100, and 1:10, respectively. The relative standard deviation value increased up to 6.1% but the addition of rGO resulted in a more stable signal with a more homogeneous particle and stray field distribution, following the Horwitz pattern which favors improved linearity and sensitivity of E. coli detection. These results indicate that Fe₃O₄/rGO nanocomposites have significant potential to improve the performance of GMR biosensors for real-time detection of E. coli.

Kata Kunci : green-synthesized Fe3O4/rGO, biosensor, giant magnetoresistance, bakteri Escherichia coli